Мощный йодный лазер

DjVu

      В последние годы лазеры, о которых до недавнего времени привычно было думать как об устройствах тонкого оптического эксперимента, превратились в некоторых случаях в настоящие энергетические установки, позволяющие развить гигантскую мощность и достичь благодаря свойствам когерентности оптического луча большой степени концентрации энергии электромагнитного излучения. Столь мощные лазеры предназначаются для нагрева вещества до сверхвысоких температур, при которых возможно протекание реакции термоядерного синтеза. Такое направление в квантовой электронике возникло в результате развития исследований по проблеме, которую называют лазерным термоядерным синтезом (ЛТС).
      Для плазменного эксперимента такого рода нужны совершенно особые лазеры. Существо дела заключается в том, чтобы подвести к плотному высокотемпературному плазменному сгустку мощность, которая позволила бы совершать механическую работу по преодолению гигантского давления плазмы при ее сжатии и обеспечила бы интенсивный, скоростной нагрев плазмы до сотни миллионов градусов. Ясно, что все это возможно лишь при значительной степени концентрации электромагнитного излучения. Требуются не просто мощные лазеры, а лазеры исключительно большой мощности и энергии импульса, и одновременно исключительно высокой степени когерентности излучения.
      Квантовая электроника имеет в своем арсенале различные методы концентрации энергии оптического излучения — концентрации по спектру, в пространстве, во времени. Именно на этой основе, т.е. на представлении о возможности значительной концентрации оптического излучения, и возникла идея лазерного термоядерного синтеза, высказанная впервые Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным (см. дополнительный список литературы). Задача заключалась в том, чтобы реализовать перечисленные методы концентрации энергии в лазерах, специально предназначенных для исследований по ЛТС.
      Исследования по мощным лазерам ведутся практически с момента появления первого импульсного лазера — рубинового лазера. Строительство очень крупных установок было начато позднее, в начале 70-х годов, после того как впервые была зарегистрирована эмиссия нейтронов из плазмы, созданной лазерным лучом. Сегодня существует несколько очень крупных установок для исследований по ЛТС. Одни из них представляют собой гигантские лазеры на неодимовом стекле (длина волны излучения 1,06 мкм), другие — лазеры на углекислом газе (10,6 мкм), третьи — йодные лазеры (1,3 мкм). В коротком импульсе длительностью около 10~9 с эти лазеры развивают мощность 1012—1013 Вт; плотность потока энергии в сфокусированном луче превышает 1017 Вт/см2, а напряженность электрического поля световой волны равна почти 1010 В/см. Такой световой луч,воздействуя на вещество с коэффициентом поглощения 102 см-1, порождает плазму с теплосодержанием более 109 Дж/см3.
      Ясно, что такие лазеры предоставляют совершенно исключительные возможности для физического эксперимента — не только термоядерного, но любого другого, где нужна очень большая плотность энергии оптического излучения.
      Данная книга посвящена йодному лазеру коротких импульсов. Книга написана известными зарубежными физиками Бредерловом, Филлом и Витте, которые, работая в Институте квантовой оптики Макса Планка (Гарчинг, ФРГ), многие годы посвятили созданию и совершенствованию крупного йодного лазера. Эта установка, имеющая название Asterix III, уже несколько лет успешно работает в Институте квантовой оптики. Книга содержит систематическое изложение вопроса о мощном йодном лазере.
      В начале книги обсуждаются спектроскопические особенности газовой лазерной среды с атомным йодом; различные способы возбуждения лазера — фотохимический, физический (разряд), чисто химический, физико-химическая кинетика процессов в фотодиссоционном лазере. Далее следует изложение методов генерирования коротких лазерных импульсов, накопления энергии возбуждения в усилителях с замедленной релаксацией к равновесному состоянию, извлечения накопленной энергии с помощью коротких насыщающих импульсов. Здесь также рассмотрены законы подобия, которые являются основой для прогнозирования характеристик крупных лазеров. В разделе о качестве лазерного пучка рассмотрен вопрос о самофокусировке пучков света большой мощности и о наведенных накачкой неоднородностях показателя преломления. Обсуждаются методы формирования остронаправленных пучков когерентного излучения. На основе изложенных в первых главах книги общих принципов в дальнейшем подробно изучаются практические схемы мощного лазера. Читателя знакомят с устройством и характеристиками действующей установки Asterix III. Книга завершается анализом перспективы совершенствования лазера данного типа и обоснованием возможности создания йодного лазера с энергией импульса 100 кДж.
      Таким образом, темой является новая область техники современного эксперимента. Интерес к этой теме существует значительный. Удовлетворить его в части, касающейся йодного лазера, удавалось в последние годы лишь с помощью журнальных публикаций. Естественно, что ни по систематичности, ни по полноте изложения они не могут заменить хорошую книгу. Данная книга будет полезна советстким специалистам, работающим в этой области, которые получат возможность сопоставить собственный опыт с опытом других авторов. Нет сомнения, что ее с интересом прочтут и другие специалисты по мощным лазерам, а также специалисты, занимающиеся исследованиями по лазерному термоядерному синтезу. Для этого круга специалистов в книге содержится хороший справочный материал и четко изложенная позиция в отношении различных лазеров для ЛТС, и в первую очередь в отношении йодного лазера.
     
      В заключение целесообразно сказать, что вопрос о йодном лазаре не исчерпывается тем рассмотрением, которое проделали авторы в своей книге. Для полного представления о состоянии этого вопроса следует изучить отечественный опыт, который отличается оригинальностью и эффективностью решения вопроса о йодном лазере коротких импульсов. Этот опыт лишь очень кратно освещен в данной книге. Речь идет о методе возбуждения йодных лазеров излучением открытых разрядов — об оригинальном методе накачки, который, с одной стороны, не имеет аналога в зарубежных работах, а с другой стороны, с успехом применяется в крупных советских установках. Читатель может изучить этот вопрос с помощью работ, представленных в дополнительном списке литературы.
      За последние семь лет появились обзорная работа по йодному лазеру "Фотохимический йодный лазер" К. Холы и К. Компы (Handbook of Chemical Lasers1, eds, R. Gross, J. Bott, Willey, N.Y., 1976) и отчет фирмы. Sandia (№ 78—1071, 1978) под названием "Атомарный йодный лазер". С тех пор опубликовано много нового материала и накоплен практический опыт работы с большими йодными лазерными установками в Гарчинге (Asterix III) ив СССР. Йодный лазер оказался очень надежным инструментом, особенно в ориентированных на термоядерный синтез плазменных экспериментах, что и является главной областью его применения. В одном луче йодный лазер может развить мощность, превышающую 1 ТВт. Он пригоден для использования и в других экспериментах, как, например, генерирование когерентного и некогерентного рентгеновского излучения, сжатие вещества для исследования его свойства при очень больших плотностях и др.
      Физики йодного лазера довольно хорошо изучена, а его технология достигла уровня вполне достаточного для конструирования крупномасштабных устройств (с энергией порядка сотен килоджоулей). Ввиду этого мы сочли полезным рсветить современное состояние исследований и разработок в этой области в данной книге. Содержание книги и библиография к ней охватывают те аспекты проблемы, которые имеют непосредственное отношение к вопросам конструирования и эксплуатации мощных импульсных йодных лазеров. Рассматриваются устройства, которые способны генерировать импульсы с длительностью от сотни пикосекунд до нескольких наносекунд, в том числе с преобразованием частоты. Этим наша книга отличается от монографии Brown "High — Peak — Power Nd: Glass Laser Systems (Springer Ser. in Opt. Sci., v. 25)", в которой упор сделан на лазеры, генерирующие импульсы в диапазоне от 30 до 100 пс.
      Авторы верят, что книга, содержащая все, что известно в настоящее время в отношении мощного йодного лазера, будет полезна многочисленным коллегам, работающим в области лазерного термоядерного синтеза и в смежных областях.
      Г. Бредерлов, Э. Филл, К.Дж. Витте Гарчинг, декабрь 1982 г.
      1 Имеется русский перевод книги: Химические лазеры. Пер. с англ./Под ред. Р. Гросса и Дж. Ботта. М.: Мир, 1980. — Прим. пер.
     
      Глава 1
      ВВЕДЕНИЕ
      Йодный фотодиссоционный лазер был изобретен в 1964 г. [1.1]. Авторы этого изобретения наблюдали лазерную генерацию на длине волны 1,315 мкм при фотолизе газообразного CF3I или СН31. В соответствии с данными из [1.2], в которой было установлено, что при фотолизе СН31 образуются преимущественно возбужденные атомы йода U2P1j2)» авторы [1.1] отождествили сигнал индуцированного излучения с излучением на переходе ... атома йода.
      В 1965 г. указанное лазерное излучение было получено с помощью еще несколько алкилйодидов [1.3]. Оказалось, что самое интенсивное излучение дают фторированные вещества. Лазерный эффект наблюдался и в некоторых водородсодержащих веществах, однако с меньшей интенсивностью. По этой причине в мощных йодных фотодиссоционных лазерах в качестве лазерной среды с тех пор стали применять исключительно перфторалкилйодиды.
      В самой первой теоретической работе [1.4] была сделана попытка представить выходную энергию йодного лазера как функцию давления лазерной среды. Однако потребовалось много времени, чтобы окончательно выработать представления о всей совокупности процессов в йодном лазаре. Главными были вопросы об излучательном времени жизни возбужденного атома йода и о процессах разрушения инверсии при столкно-венииях. Основные константы скоростей столкновительной дезактивации были измерены в 1966 г. [1.5]. В последние годы эти данные были расширены и уточнены.
      Первые работы по химической кинетике йодного лазера опубликованы в 1968 г. В них были рассмотрены химические и фотохимические процессы, определяющие плотность инверсии. Был рассмотрен также процесс саморегенерации лазерной среды, выяснены условия, при которых разложение лазерной среды определяется процессом накачки. Позднее были изучены все основные процессы, происходящие в рассматриваемом лазерном эффекте.
      В 1966 г. авторы [1.6] получили лазерные импульсы свободной генерации с энергией около 60 Дж. В 1968 г. в экспериментах с управляемой добротностью и синхронизацией мод были получены импульсы наносе-кундной длительности [1.7]. Однако в то время еще никто не ставил вопроса о конструировании мощного лазера, основанного на принципе накопления энергии. Настоящее техническое развитие йодного лазера и его применений состоялось гораздо позже.
      Хотя время жизни верхнего лазерного уровня довольно велико с точки зрения накопления энергии в усилителях (это время определяется процессами столкновительной дезактивации), но накопить большое количество энергии инверсии довольно трудно из-за возникновения паразитной генерации. Необходимо уменьшить усиление, т.е. уменьшить сечение индуцированного излучения атомов йода. Первоначально применялось ушире-ние лазерного перехода в результате эффекта Зеемана [1.8, 1.9]. Позднее оказалось удобнее использовать эффект уширения линий давлением буферного газа [1.10—1.12].
      Из-за сверхтонкой структуры лазерного перехода эффективность извлечения накопленной оптической энергии сильно зависит от спектра лазерного импульса. Сверхтонкое расщепление верхнего и нижнего уровней лазерного перехода изучали авторы [1.12—1.16].
      Систематически возможность йодного лазера как источника когерентного излучения большой мощности изучали начиная с 1970 г. авторы [1.17]. Несколько позднее такие исследования показалит что йодный лазер пригоден для работы в режиме большой мощности и может удовлетворить требованиям, которые предъявляются к лазерам, предназначенным для исследований по термоядерному синтезу.
      Характеристики йодного лазера не уступают характеристикам неодимового стеклянного лазера и С02 -лазера, которые уже применяются в экспериментах по лазерному синтезу. Как газовый лазер он обладает некоторыми важными свойствами С02 -лазера, а по длине волны излучения и по способу накачки он подобен неодимову стеклянному лазеру.
      Технология каждого из этих лазеров хорошо разработана. Эту технологию можно использовать при разработке йодного лазера, что будет способствовать его быстрому совершенствованию.
      В 1976 г. способность йодного лазера работать в режиме с большой мощностью была продемонстрирована в нескольких лабораториях [Т.19—1.23]. В 1978 г. однопучковый йодный лазер Asterix III Института квантовой оптики Макса Планка в Гарчинге стали регулярно применять в плазменных экспериментах по программе термоядерного синтеза [1.24]. Было показано, что йодный лазер может излучать мощные импульсы субнаносекундной длительности с энергией несколько сот джоулей, повторяющиеся через короткие промежутки времени, причем в одиночном пучке почти дифракционного качества. Эти эксперименты служили доказательством того, что йодный лазер пригоден для исследований по термоядерному синтезу.
      Йодный лазер успешно применялся и в других экспериментах. Примером являются исследования по химической кинетике. С его помощью был реализован наиболее быстрый метод измерения времени релаксации химических реакций в водных растворах по способу так называемого температурного скачка [1.25]. Несомненно, что у йодного лазера будут и другие применения, особенно если учесть, что разработаны йодные лазеры непрерывного действия как с ультрафиолетовой [1.26, 1.27], так и с химической накачкой [1.28].
      Возникает вопрос, можно ли построить йодный лазер, который будет удовлетворять требованиям будущей лазерной термоядерной электростанции. Возможность построить такую лазерную установку находится в зависимости ют того, как будет высока эффективность установки и от некоторых других технических факторов. Полная эффективность современных лазерных установок довольно низкая. Ограничения обусловлены главным образом эффективностью процесса накачки и процесса регенерации лазерной среды. Однако возможности увеличения эффективности этих процессов существуют.
      Для того чтобы обсудить эти вопросы, необходимо знать основные свойства йодного лазера. Поэтому такое обсуждение проведено в конце монографии. В начале книги рассмотрены основные особенности йодного лазера с упором на результаты исследований, необходимых при разработке и конструировании мощного йодного лазера. Затем на примере установки Asterix III рассмотрено устройство и технические характеристики такого лазера.
      При выборе следующего поколения лазеров для термоядерного синтеза необходимо ответить на вопрос о возможности дальнейшего усовершенствования лазера и о способах увеличения его мощности. Эти вопросы также рассмотрены в книге. В заключение обсуждается вопрос о том, можно ли построить систему облучения для будущей лазерной термоядерной электростанции, основанную на йодном лазере.
     
      Глава 2
      ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЙОДНОГО ЛАЗЕРА
      Ниже изложены необходимые сведения по физике и химии йодного лазера.
      В начале главы приведены данные по спектроскопии перехода в йодном лазере. Спектроскопические свойства атома определяют основные особенности йодного лазера — длину волны, ширину полосы и коэффициент усиления излучения. Они же оказывают определяющее влияние на процесс извлечения энергии из лазерных усилителей и на распространение импульсов в йодных лазерных усилителях.
      Затем рассмотрены различные методы создания инверсии и технические вопросы, например, конструкция и характеристики ксеноновых ламп. Кроме обычного метода накачки с помощью фотодиссоциации йодидов рассмотрены и другие, менее употребительные методы, такие как химическая накачка и газовые разряды. Эти методы представляют интерес в связи с будущим развитием йодного лазера.
      В конце главы приведен детальный обзор обычного метода создания инверсии — метода фотодиссоциации.
      Описаны свойства различных йодидов, особое внимание уделено важному свойству — квантовому выходу образования возбужденного йода. Затем приведено описание химических реакций, сопровождающих первичный процесс фотолиза. Обсуждается, в какой мере эти реакции влияют на свойства йодного лазера при однократной вспышке и на обратимость химического цикла в лазере. Рассматриваются особенности режима с обратимыми реакциями.
      Приведены все реакции и константы скоростей, необходимые для детального понимания кинетики йодного лазера.